DE10248403C1 - Wärmetauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) mit wenigstens einem rotierenden Rohrabschnitt (2), durch den ein erstes Medium (18) strömt und der wenigstens an der Rohrabschnittaußenseite von einem zweiten Medium (20) umgeben ist. An der Rohrabschnittaußenseite ist eine deren Oberfläche vergrößernde und wärmeleitend verbundene Wärmetauschstruktur (15) aus gut wärmeleitendem Material vorgesehen. Erfindungsgemäß besteht die Wärmetauschstruktur aus einer Mehrzahl von Wärmeleitfäden (15) ohne oder mit nur geringen inneren Richtungsformkräften, die jeweils mit Fadenbasisenden (16) mit der Rohrabschnittaußenseite (12) verbunden sind und jeweils eine bestimmte Fadenlänge (17) aufweisen. Die Rotationsgeschwindigkeit ist wenigstens so groß dimensionierbar, dass die Wärmeleitfäden (15) durch die darauf wirkenden Fliehkräfte mit ihrer Fadenlänge (17) radial ausrichtbar sind, wobei zwischen den Wärmeleitfäden (15) Durchströmbereiche für das zweite Medium (20) ausbildbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Ein bekannter, gattungsgemäßer Wärmetauscher (DE 27 14 617 A1; CH 375 031) weist einen Käfigrotor aus rotierenden Rohrabschnitten auf, durch die ein erstes Medium strömt und die an der Rohrabschnittaußenseite von einem zweiten Medium umströmt sind, wobei ein Wärmeaustausch zwischen beiden Medien erfolgen soll. Weiter ist an der Rohrabschnittaußenseite eine deren Oberfläche vergrößernde und wärmeleitend verbundene Wärmetauschstruktur aus gut wärmeleitendem Material angebracht.

Konkret besteht hier die Wärmetauschstruktur aus einem formstabilen Draht­ geflecht oder aus etwa radial abstehenden Blechlamellen.

Solche formstabile Wärmetauschstrukturen erfordern relativ dicke Material­ stärken, wodurch ein ungünstig relativ hohes Gewicht des rotierenden Rohrab­ schnitts hingenommen werden muss. Zudem ist die angestrebte große Wär­ metauschfläche der Wärmetauschstruktur abhängig von den verwendeten Materialstärken, wobei große Materialstärken zu einer geringeren Oberfläche der Wärmetauschstruktur bei gleichem Materialeinsatz führen. Eine starke Re­ duzierung der verwendeten Drahtdurchmesser bei einem formstabilen Draht­ geflecht, ist nicht möglich, da sonst die hier erforderliche Formstabilität verlo­ ren geht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen Wärmetauscher so weiterzubilden, dass bei einem kompakten und gewichtsgünstigen Aufbau ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 besteht die Wärmetauschstruktur aus einer Mehrzahl von Wärmeleitfäden ohne oder mit geringen inneren Richtungsformkräften, die je­ weils mit Fadenbasisenden an Anbindungspunkten mit der Rohrabschnittaußenseite verbunden sind und jeweils eine bestimmte Fadenlänge aufweisen. Die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Rohrabschnitts ist betriebsmäßig wenigstens so dimensionierbar, dass die Wärmeleitfäden durch die darauf wirkenden Fliehkräfte mit ihrer Fadenlänge radial nach außen ausrichtbar sind, wobei zwischen den Wärmeleitfäden Durchströmbereiche für das zweite Medium ausbildbar sind.

Die Wärmeleitfäden werden hier somit durch die darauf wirkenden Fliehkräfte radial ausgerichtet, so dass sie keine Formstabilität aufzuweisen brauchen und im nicht rotierenden Zustand des Rohrabschnitts an diesem mehr oder weniger schlaff herunterhängen können. Damit können hier die Wärmeleitfäden im Ge­ gensatz zu den Drähten der bekannten formstabilen Drahtgeflechtstrukturen einen sehr geringen Querschnitt aufweisen, wobei auch Materialien einsetzbar sind, die bei guter Wärmeleitfähigkeit materialbedingt keine inneren Rich­ tungsformkräfte haben und auch bei größeren Materialstärken ein schlaffes Verhalten aufweisen. Durch die kleinen Durchmesser der Wärmeleitfäden ist bei relativ wenig Materialeinsatz im rotierenden Betrieb vorteilhaft eine große Wärmetauschfläche geschaffen, mit vielen Durchströmbereichen für das zweite Medium, so dass ein hoher Wirkungsgrad für den Wärmeaustausch möglich ist. Zudem ist ein kompakter Aufbau möglich, der nur einen relativ kleinen Einbauraum erfordert.

Durch eine Beabstandung der Anbindungspunkte der Fadenbasisenden in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung am Rohrabschnitt gemäß Anspruch 2 ist die Anbringung der Wärmeleitfäden vereinfacht und zudem ist darüber eine Anpassung der Wärmetauscherwirkung an konkrete Gegebenheiten mög­ lich.

Die von den Anbindungspunkten weg führenden und im rotierenden Betrieb abstehenden Wärmeleitfäden können nach Anspruch 3 jeweils aus einem Fa­ den mit einem freien Fadenende gebildet sein. Je nach dem Aufbau und dem Anwendungsfall eines Wärmetauschers können von einem Anbindungspunkt auch ggf. mehrere Fäden mit freien Fadenenden oder geschlossenen Buchten und/oder Schlaufen ausgehen. Die im rotierenden Betrieb abstehenden Fa­ denlängen können zudem je nach Einsatzfall gleich lang sein oder unter­ schiedliche Längen aufweisen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 4 sind Wär­ meleitfäden aus in letzter Zeit entwickelten hochwärmeleitenden Kohlestofffa­ sern verwendet. Grundsätzlich sind jedoch auch dünne Wärmeleitfäden aus den üblicherweise für Wärmetauschstrukturen verwendeten, gut wärmeleiten­ den Materialien wie Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium, einsetzbar.

In einer konstruktiv vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 5 mit beson­ ders gutem Wirkungsgrad weist der als Käfigrotor ausgebildete Rohrabschnitt zwei stirnseitige Kreisrohrringe auf, die durch achsparallele, in Umfangsrichtung versetzt angeordnete Durchströmrohre mechanisch und strömungsmäßig verbunden sind. Die Wärmeleitfäden sind mit den Durchströmrohren verbunden. Von jeweils einer stirnseitigen zentralen Hohlachse des Käfigrotors führt wenigstens eine mechanische und strömungsmäßige Radialrohrverbindung zum zugeordneten Kreisrohrring. Das erste Medium ist hier ein Flüssigmedium, welches über die Hohlachse als Zuführung, die zugeordnete Radialrohrverbindung und den Kreisrohrring zu den Durchströmrohren und durch diese hindurch zum anderen Kreisrohrring geleitet wird. Von dort strömt das Flüssigmedium weiter durch die dortige Radialrohrverbindung zur anderen Hohlachse und fließt aus dieser ab. Das zweite Medium ist hier Luft, in der der Käfigrotor rotierend gelagert ist, wobei ein Wärmeaustausch zwischen dem in der vorstehenden Weise durch den Wärmetauscher strömenden Flüssigmedium und der umgebenden Luft erfolgt. Der hohe Wirkungsgrad ist insbesondere durch die großen Wärme­ übergangsflächen an den Durchströmrohren und den Wärmeleitfäden sowie durch die Luftverwirbelung mittels der drehenden Teile bedingt. Die Radialrohrverbindung von dem zentralen Hohlachsenstück zum jeweils zugeordneten Kreisrohrring kann grundsätzlich ein- oder mehrarmig ausgebil­ det sein, wobei in einer bevorzugten Ausbildung ein stabiler Aufbau mit günstiger Strömungsverteilung durch eine in der Figurenbeschreibung noch näher erläuterte Kreuzrohrverbindung in einer vierarmigen Anordnung erreicht wird.

Eine konstruktiv einfache Anbringung der Wärmeleitfäden mit gutem Wärme­ übergang von den Durchströmrohren auf die Wärmeleitfäden ist mit Anspruch 6 beansprucht, wobei diese jeweils mit einer U-förmigen Bucht, an der bezo­ gen auf das Käfigrohr, radial inneren Seite der Durchströmrohre anliegen und befestigt sind und mit zwei gleich langen U-Schenkelfäden im rotierenden Be­ trieb abstehen.

Ein Rotationsantrieb, insbesondere ein Elektromotor, kann nach Anspruch 7 axial an den Käfigrotor anschließend ortsfest angebracht sein und mit der dor­ tigen Hohlachse drehend verbunden werden. Damit ergibt sich ein einfacher, kompakter Aufbau. Zudem kann der Motor gleichzeitig eine einseitige, stirnsei­ tige Abdeckung bilden, so dass Luft, die an der anderen Stirnseite in den Kä­ figrotor eingeleitet wird, radial zwischen den Durchströmrohren und den Wär­ meleitfäden zwangsgeführt mit gutem Wärmeübergang austritt.

Nach Anspruch 8 können in einem einfachen Aufbau die beiden drehenden Hohlachsen als Achsstummel zweckmäßig in einem jeweils anschließenden drehfesten Zuführrohr und Abströmrohr für das erste Flüssigmedium dicht und drehbar gelagert sein.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung nach Anspruch 9 kann der Rohrabschnitt, insbesondere in der Ausführung als Käfigrotor, als rotierender Lüfter ausgebildet sein, wobei dann im Innenbereich Luftleitmittel in der Art von Strömungsleitflächen anzubringen sind. Dadurch kann Luft an einer Stirnseite angesaugt werden, wobei zweckmäßig die andere Stirnseite abgedeckt ist, so dass die angesaugte Luft radial zwischen den Durchströmrohren und den im Betrieb radial ausgerichteten Wärmeleitfäden mit gutem Wärmeübergang ab­ strömt. Durch diese Doppelfunktion des Käfigrotors als Wärmetauscher und Lüfter ergibt sich ein besonders preisgünstiger, kompakter und leichter Aufbau. Je nach dem konkreten Anwendungsfall und den Einbaumöglichkeiten ist es jedoch auch möglich, einen separaten Lüfter für die Erzeugung eines entspre­ chenden Luftstroms im Luftzufuhrweg, beispielsweise unmittelbar vor dem Kä­ figrotor, anzubringen.

Durch die gewichtsgünstige und kompakte Bauweise in Verbindung mit einem leisen Betrieb eignet sich ein vorstehend beschriebener Wärmetauscher ge­ mäß Anspruch 10 besonders als Bestandteil eines Klimageräts eines Fahr­ zeugs, wobei das Flüssigmedium ein Kühlmittel der Motorkühlung und/oder ein Arbeitsmedium eines Kühlkompressors sein kann.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Schnittes B-B von Fig. 2 eines Wärmetauschers, und

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Schnittes A-A von Fig. 1 des Wärmetauschers.

In den Fig. 1 und 2 ist jeweils schematisch eine Schnittdarstellung eines Wär­ metauschers 1 in zwei verschiedenen Blickrichtungen dargestellt. Der Wär­ metauscher 1 besteht aus einem Käfigrotor 2, an dem jeweils stirnseitig zentral eine Hohlachse 3, 4 angeordnet ist. Die beiden Hohlachsen 3, 4 sind als Achs­ stummel in einem jeweils anschließenden drehfesten Zuführrohr 5 und Ab­ strömrohr 6 dicht und drehbar gelagert. An der Lagerstelle der Hohlachse 4 auf der Seite des Abströmrohres 6 ist ein Rotationsantrieb 7 integriert mittels dem der Käfigrotor 2 mitsamt den beiden Hohlachsen 3, 4 um eine Drehachse 8 drehbar ist. An der Lagerstelle der Hohlachse 3 auf der Seite des Zuführrohres 5 ist eine Lagerstütze 9 angeordnet.

Der Käfigrotor 2 umfasst zwei stirnseitige Kreisrohrringe 10, 11, die durch achsparallele, in Umfangsrichtung versetzt angeordnete Durchströmrohre 12 mechanisch und strömungsmäßig verbunden sind. Von jeder der beiden Hohl­ achsen 3, 4 führt eine mechanische und strömungsmäßige Radialrohrverbin­ dung als Kreuzrohrverbindung 13, 14 zu dem jeweils zugeordneten Kreisrohr­ ring 10, 11. An den Durchströmrohren 12 sind jeweils eine Mehrzahl von Wär­ meleitfäden 15 dergestalt angeordnet, dass jeder Wärmeleitfaden 15 eine U- förmige Bucht bildet, die an der bezogen auf die Drehachse 8 radial inneren Seite des zugeordneten Durchströmrohres 12 anliegt und dort befestigt ist. Zwei gleichlange U-Schenkelfäden 17 stehen bei rotierendem Käfigrotor 2 ra­ dial nach außen ab. Die einzelnen Wärmeleitfäden 15 sind so an den Durch­ strömrohren 12 angeordnet, dass die U-Schenkelfäden 17 in Umfangsrichtung und in Axialrichtung jeweils bezogen auf die Drehachse 8 voneinander beabstandet sind. (Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind in Fig. 2 nur am oberen und unteren Durchströmrohr alle Wärmeleitfäden 15 gezeichnet - auch die anderen Wärmeleitrohre sind über ihre Länge entsprechend mit Wärme­ leitfäden 15 bestückt.)

Der Käfigrotor 2 ist von einem Flüssigmedium durchströmt, wobei dieses durch das Zuführrohr 5 in die Hohlachse 3 strömt und von dort über die Kreuzrohr­ verbindung 13 in den Kreisrohrring 10 strömt und von dort durch die Durch­ strömrohre 12 zu dem gegenüberliegenden Kreisrohrring 11, weiter durch die Kreuzrohrverbindung 14 in die Hohlachse 4 und somit in das Abströmrohr 6 geleitet wird. Die Strömung des Flüssigmediums innerhalb des Käfigrotors 2 ist mit durchgezogenen Pfeilen 18 in beiden Figuren eingezeichnet.

Mittels nicht explizit dargestellter Luftleitmittel im Käfigrotor 2 zur Ausbildung eines Lüfters strömt Luft in den Innenbereich 19 des Käfigrotors 2, wobei die Luft an der Stirnseite des Zuführrohres 5 des Käfigrotors 2 angesaugt wird. An der anderen Stirnseite des Käfigrotors 2 ist ein Luftaustritt durch den Rotati­ onsantrieb 7 versperrt, so dass die Luft radial zwischen den Durchströmrohren 12 und den radial ausgerichteten Wärmeleitfäden 15 hindurch abströmt. Bei­ spielsweise könnte die Kreuzrohrverbindung 13 in der Art eines Lüfterrads mit Lüfterflügeln gestaltet sein. Durch die Rotation des Käfigrotors 2 um die Dreh­ achse 8 werden die Wärmeleitfäden 15 radial ausgerichtet, wodurch die Beabstandung zwischen den einzelnen Wärmeleitfäden 15 vorteilhaft erreicht wird für einen optimalen Wärmeübergang von dem Flüssigmedium innerhalb des Käfigrotors 2 auf die Luft, die aus dem Innenbereich 19 des Käfigrotors 2 strömt. Die Luftströmung ist mit strichlierten Pfeilen 20 in Fig. 2 eingezeichnet.

Claims (10)

1. Wärmetauscher,
mit einem Käfigrotor aus rotierenden Rohrabschnitten, durch die ein erstes Medium strömt und die wenigstens an der Rohrabschnittaußenseite von einem zweiten Medium umströmt sind, und
mit einer an der Rohrabschnittaußenseite deren Oberfläche vergrößern­ den und wärmeleitend verbundenen Wärmetauscherstruktur aus gut wärmeleitendem Material,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmetauschstruktur aus einer Mehrzahl von Wärmeleitfäden (15) ohne innere Richtungsformkräfte bestehen, die jeweils mit Faden­ basisenden (16) an Anbindungspunkten mit der Rohrabschnittaußenseite verbunden sind und jeweils eine bestimmte Fadenlänge (17) aufweisen, und
dass die Rotationsgeschwindigkeit wenigstens so groß dimensionierbar ist, dass die Wärmeleitfäden (15) durch die darauf wirkenden Fliehkräfte mit ihrer Fadenlänge (17) radial nach außen ausrichtbar sind, wobei zwischen den Wärmeleitfäden (15) Durchströmbereiche für das zweite Medium (Pfeil 20) ausbildbar sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindungspunkte der Fadenbasisenden (16) in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung beabstandet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet,
dass die von den Anbindungspunkten wegführenden Wärmeleitfäden (15) aus einem Faden mit einem freien Fadenende und/oder aus mehre­ ren Fäden mit jeweils freien Fadenenden oder geschlossenen Buchten bestehen, und
dass die Fadenlängen (17) bereichsweise gleich lang und/oder unter­ schiedlich lang sind.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Wärmeleitfäden (15) aus hochwärmeleitenden Kohle­ stofffasern und/oder aus Kupfer und/oder aus Silber und/oder aus Gold und/oder aus Aluminium hergestellt sind.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet,
dass der als Käfigrotor (2) ausgebildete Rohrabschnitt zwei stirnseitige Kreisrohrringe (10, 11) aufweist, die durch achsparallele, in Umfangs­ richtung versetzt angeordnete Durchströmrohre (12) mechanisch und strömungsmäßig verbunden sind,
dass die Wärmeleitfäden (15) mit den Durchströmrohren (12) verbunden sind,
dass von jeweils einer stirnseitigen zentralen Hohlachse (3, 4) des Käfigrotors (2) wenigstens eine mechanische und strömungsmäßige Radialrohrverbindung (13, 14) zum zugeordneten Kreisrohrring (10, 11) führt, wobei das erste Medium als Flüssigmedium (Pfeil 18) über die Hohlachse (3) als Zuführung die zugeordnete Radialrohrverbindung (13) und den Kreisrohrring (10) zu den und durch die Durchströmrohre (12) zum anderen Kreisrohrring (11) führbar ist, und von dort durch die zugeordnete Radialrohrverbindung (14) zur anderen Hohlachse (4) als Abfluss leitbar ist, und
dass das zweite Medium Luft (Pfeil 20) ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfäden (15) jeweils mit einer U-förmigen Bucht (16) an der bezogen auf das Käfigrohr (2) radial inneren Seite der Durchströmrohre (15) anliegen und befestigt sind und mit zwei gleichlangen U- Schenkelfäden (17) abstehen.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Rotationsantrieb (7) axial an den Käfigrotor (2) an­ schließt und mit der dortigen Hohlachse (4) drehend verbunden ist.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die beiden drehenden Hohlachsen (3, 4) als Achsstum­ mel in einem jeweils anschließenden drehfesten Zuführrohr (5) und Ab­ strömrohr (6) dicht und drehbar gelagert sind.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass im Innenbereich des Käfigrotors (2) Luftleitmittel zur Aus­ bildung eines Lüfters angebracht sind und/oder stirnseitig vor dem Käfig­ rotor (2) ein Lüfter angeordnet ist, dergestalt dass Luft (Pfeil 20) an einer Stirnseite des Käfigrotors (2) ansaugbar ist und radial zwischen den Durchströmrohren (12) und den im Betrieb radial ausgerichteten Wär­ meleitfäden (15) abströmbar ist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Wärmetauscher (1) Bestandteil eines Klimageräts eines Fahrzeugs ist.